保护层开采在潘二煤矿的现场实践与效果考察

陈 军 张文清 张 振

（1．淮河能源控股集团潘二煤矿，安徽 淮南 232000；2．安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

国内外瓦斯治理经验表明，开采保护层并结合瓦斯抽放是消除煤层突出危险性、防治瓦斯灾害最有效和经济的区域性措施，在具有保护层开采条件的矿区都应优先采取这一措施。我国《煤矿安全规程》中也明确规定“在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保护层防治突出措施”“开采保护层时，应同时抽采被保护层瓦斯”。淮南矿区基本上为煤层群赋存，客观上具备开采保护层的条件，并在多个矿井进行过保护层开采的实践，取得了很好的保护效果。

潘二煤矿自上而下依次开采13-1、11-2、8、7-1、6-1、5-2、4-2、4-1、3、1煤层，其中11-2、8、4-2、4-1、3、1煤层为突出煤层。4-1煤层厚度为0.72m～8.48m，平均煤厚3.70m，煤层瓦斯含量为0.16m3/t～10.65m3/t。经鉴定，将4煤在井田开采范围内划为突出危险区。在其上8m赋存另一可采煤层5-2煤层，平均厚度1.60m，煤层瓦斯含量为0.16m3/t～10.46m3/t。从煤层赋存关系上看，具备开采5-2煤层、保护4-1煤层的客观条件。为了有效消除或者降低4-1煤层的突出危险性，在4-1煤层开采前先开采其上部的保护层5-2煤层，并对其下的被保护4-1煤层进行卸压瓦斯抽采。

1 保护层的现场实施

所谓保护层一般是指突出矿井在煤层群中首先开采的非突出煤层或弱突出煤层，该煤层开采后，能使邻近的突出煤层丧失或降低突出危险性，进而达到防止煤与瓦斯突出的目的。为考察18125工作面关键保护层回采后被保护层18124工作面所在的4煤的卸压范围，通过18114和18124底抽巷分别布置走向和倾向保护范围考察孔。其中，走向保护范围考察孔布置在开切眼附近的预计保护边界线两侧；倾向保护范围考察孔布置在上、下顺槽附近预计保护边界线两侧。

1.1 走向考察孔布置

走向方向的卸压范围是指开采煤层18124工作面的始采线与停采线相对18125工作面始采线与停采线向里内错的距离。4煤层与5煤层间距平均取12m，根据《防治煤与瓦斯突出细则》和《保护层开采规范》的规定，始采线走向方向卸压角取60°，经计算18124工作面始采线相对18125工作面始采线位置内错8.1m。

1.2 倾向考察孔布置

倾斜方向的卸压范围为18124工作面上部卸压边界和下部卸压边界相对18125工作面上顺槽和下顺槽的内错距离。4煤层与5煤层间距取12m，倾角平均取8°。根据《保护层开采规范》规定，上下部卸压角均取75°，经计算18124工作面上部卸压区相对18125工作面上顺槽位置内错3.6m，下部卸压区相对18125工作面下顺槽位置内错7.6m。

1.3 现场考察方案设计

通过18114和18124底抽巷分别布置走向和倾向保护范围考察孔，采用深部基点法测定煤层顶底板相对变形。其中，走向保护范围考察孔布置在开切眼附近的预计保护边界线两侧；倾向保护范围考察孔布置在上、下顺槽附近预计保护边界线两侧，如图1所示。

图1 保护层开采保护范围考察钻孔设计布置图（单位：m）

为考察18125工作面关键保护层回采后被保护层18124工作面所在的4煤的卸压范围，分别沿走向和倾向方向布置A、B、C三个主要实验考察地点。其中，走向方向保护范围考察孔布置在A区，共设置6个钻孔，孔间距为5m；倾向方向保护范围考察孔布置在B、C区，每个区分布设置5个钻孔，孔间距为5m。

用深部基点法测定煤层顶底板相对变形，变形钻孔施工时要求钻孔穿透煤层进入顶板。在煤层顶板及底板各安装一组多点位移计，用于测量煤层顶底板位移，进而计算煤层顶底板相对变形量与变形率。为了避免垮孔，考察孔施工完毕后，立即赶赴现场安装多点位移计。

测试孔施工及测试步骤如下。1） 钻孔施工，见煤后0.5m取样测瓦斯含量。2） 钻孔穿顶板1.0m，终孔。3） 待18125工作面推过，卸压后，测变形。4）测残余瓦斯含量。

2 效果考察与分析

2.1 走向变形孔效果考察

从保护层18125工作面准备回采开始对变形考察孔进行数据观测，频率为每两天一次，待保护层18125工作面推过考察点50m后，改为三天观测一次，一直持续到工作面推过130m，停止观测。走向保护范围变形考察孔A1、A2、A3、A4、A5、A6的煤层变形率随工作面进尺变化曲线，如图2所示。

由图2可以看出，随着保护层工作面的回采，各孔位置所在的煤层均发生不同程度的膨胀变形，当工作面超前该钻孔30m左右时达到最大值，其中20m～80m时，煤层膨胀变形处于稳定发展阶段，随后煤层出现膨胀变形变小，并最终处于稳定状态。走向变形孔观测结果见表1。

图2 A区观测孔变形率随工作面进尺变化曲线

表1 走向变形孔观测结果汇总

由表1可知，A1、A2、A3号孔变形显著，最大相对变形分别达到了7.75‰、7.05‰和4.375‰，其最大相对变形率均大于3‰，这一点表明该区域卸压效果显著。而A4、A5、A6号孔变形相对较小，最大相对变形率均低于3‰，说明钻孔所在的被保护层区域并未实现充分卸压。

2.2 上部保护边界变形孔考察

当保护层18125工作面回采至B组考察孔30m左右时，开始对变形考察孔进行数据观测。观测频率为每两天一次，待保护层18125工作面推过考察点50m后，改为三天观测一次，一直持续到工作面推过130m，停止观测。

由图3可以看出，保护层18125工作面未采过观测钻孔时，被保护层处于压缩变形状态。当工作面超过钻孔10m左右时，煤层开始发生明显的膨胀变形，直到工作面推过30m左右时，膨胀达到最大值，观测结果见表2。

图3 B区观测孔膨胀变形率随工作面进尺变化曲线

表2 上部倾向变形孔观测结果汇总

由表2可知，B1、B2和B3的相对变形率均大于3‰，这一点表明该区域卸压效果显著。而B4和B5号孔变形相对较小，最大相对变形率均低于3‰，说明钻孔所在的被保护层区域并未实现充分卸压。

2.3 下部保护边界变形孔考察

当保护层18125工作面回采至C组考察孔30m左右时，开始对变形考察孔进行数据观测。观测频率为每两天一次，待保护层18125工作面推过考察点50m后，改为三天观测一次，一直持续到工作面推过130m，停止观测。

由图4可以看出，保护层18125工作面未采过观测钻孔时，被保护层处于压缩变形状态。当工作面超过钻孔5m左右时，煤层开始发生明显的膨胀变形，直到工作面推过30m左右时，膨胀达到最大值，观测结果见表3。

图4 C区观测孔膨胀变形率随工作面进尺变化曲线

表3 下部倾向变形孔观测结果汇总

由表3可知，C2和C3的相对变形率均大于3‰，表明该区域卸压效果显著。而C4和C5号孔变形相对较小，最大相对变形率均低于3‰，说明钻孔所在的被保护层区域并未实现充分卸压。

2.4 合理超前距分析

上保护层18125工作面开采后，在其底板形成地应力卸压区，底板煤岩层应力减小，卸压区煤岩层向上发生移动和变形，由于距开采层距离的不同，移动与变形量存在差距，表现为靠近开采层近，变形大，进而使被保护层发生膨胀变形，层内裂隙增生，大大提高了煤层的透气性能。同时，地应力减小为吸附态瓦斯转变为游离态创造了条件，产生的裂隙也为瓦斯在煤体内流动提供了通道，进而增加了煤层瓦斯排放能力，降低了煤层瓦斯压力。从现场煤层膨胀变形观测结果可以看出，保护层18125工作面回采后，被保护层18124工作面的煤层相对变形发生了明显的变化，可以将被保护层划分为如下几个带。1） 正常压力带。从距离工作面前方约40m以前，被保护层变形量为零，未观测到煤体受压或膨胀变形，该区域应为原始应力区。2） 集中应力带。距工作面前方40m～5m范围内，保护层内的煤层顶底板距离减小，煤层发生受压变形，是采动应力集中区域，其中距离工作面前方约18m是压缩变形最大位置，也就是应力峰值区域。3） 卸压带。当保护层18125工作面在超前测点5m以内时，被保护层工作面煤层开始出现膨胀变形。当工作面推过测点约30m后，膨胀变形达到最大，距离工作面约60m后，膨胀变形出现明显减小，当工作面推过测点约100m后，膨胀变形稳定至最小值。从观测结果看，工作面后方30m～60m是被保护层卸压抽采瓦斯的最佳区域。

2.5 卸压瓦斯抽采分析

随着保护层18125工作面的回采，下伏煤岩层膨胀变形，裂隙发育，为被保护层瓦斯提供通道，瓦斯抽采量迅速增大。瓦斯抽采的变化可分为初采抽采期、过渡抽采期、卸压充分抽采期和稳定下降期四个阶段。1） 初采抽采期。保护层18125工作面初采期间，被保护层还没有得到足够的卸压，层间裂隙还未形成，被保护层的瓦斯未进入保护层工作面，工作面瓦斯主要来自保护层本煤层和邻近岩层。2） 过渡抽采期。当保护层18125工作面推进到10m即一倍层间距后，瓦斯抽采量开始迅速提高，说明被保护层得到了相应卸压，在层间形成了一定裂隙。3） 卸压充分抽采期。当保护层18125工作面推进到60m～100m左右时，瓦斯抽采量达到了较为稳定的峰值。瓦斯抽采总量平均约为21m/min，而本煤层瓦斯抽采量约为3m/min，被保护层瓦斯抽采量达到了约18m/min。这说明层间形成丰富的裂隙，被保护层得到了充分卸压。4） 稳定下降期。当保护层18125工作面推进超过100m时，被保护层瓦斯抽采量开始逐渐下降。这是由于保护层开采影响的被保护层区域内煤层瓦斯含量降低到一定值，导致卸压瓦斯抽采瓦斯量降低。

3 结论

采用现场考察可知，18125工作面关键保护层开采后卸压保护范围为走向卸压角为60°，倾向卸压角为75°。从现场煤层膨胀变形观测结果可以看出，保护层工作面回采后，被保护层18124工作面的压力分布为正常压力带（距离工作面前方约40m以前）、集中应力带（距工作面前方40m～5m）和卸压带（超前5m至工作面后方100m）。其中，工作面后方30m～60m是被保护层卸压抽采瓦斯的最佳区域。